LUCRAREA NR.3 ANALIZA FUNCŢIONĂRII DIODELOR SEMICON- DUCTOARE. PARAMETRI. TASAREA CARACTERISTICI- LOR ŞI IDENTIFICAREA PERFORMANŢELOR 1. Introducere privind caracterizarea dispozitivelor semiconductoare Ecuaţiile ce descriu funcţionarea dispozitivelor semiconductoare sunt aproximative deoarece au la bază modele simplificate. Rezultatele calculate cu ajutorul lor, prezintă calitativ procesele care au loc stabilind relaţii de determinare între parametri. Utilizând modele cu un grad ridicat de complexitate, rezolvabile prin tehnici de prelucrare numerică, şi având la dispoziţie tehnologii performante, se pot impune anumiţi parametri pentru dispozitivele care vor fi produse. Indiferent de modelul utilizat în proiectare, sau de tehnologia folosită la realizarea unui anumit dispozitiv,acesta trebuie caracterizat prin măsurători.firmele producătoare indică principalele date necesare utilizatorilor.un minimum de date sunt : Descrierea dispozitivului, valori constructive. În cadrul descrierii se indică materialul semiconductor utilizat, tehnologia de obţinere, principalele aplicaţii, iar la valori constructive se prezintă tipul de capsulă folosit, dimensiunile, modul de marcare, conexiunile la terminale, masa.. Există o mare diversitate de dispozitive electronice. Valori limită absolute Sunt valorile maxime ale parametrilor de funcţionare care prin depăşire conduc la distrugerea dispozitivului. Dacă nu se fac precizări suplimentare, valorile indicate ale curentului, tensiunii şi puterii sunt date în curent continuu la 29
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE temperatura capsulei de 25 C. La funcţionarea în regim de impuls se fac precizări asupra duratei acestuia şi a frecvenţei de repetiţie. Caracteristicile electrice pot fi: caracteristici de curent continuu, care indică dependenţa dintre tensiunile, curenţii şi puterile prin dispozitiv în regim de curent continuu; aceste caracteristici sunt influenţate de temperatură; caracteristici de curent alternativ, care dau o descriere a funcţionării în curent alternativ sau în regim de impuls a dispozitivului; se indică mărimile semnificative pentru funcţionarea în audiofrecvenţă sau comutaţie, în condiţii bine precizate de măsură (parametrii h, timpii de comutaţie, variaţia factorului de calitate cu frecvenţa, ş.a.). Caracteristici termice În acest cadru se indică temperatura de funcţionare a joncţiunii, temperatura ambiantă de lucru, temperatura de stocare, disipaţia admisă şi rezistenţa termică. Montaje de testare Pentru a facilita sarcinile utilizatorului, firma producătoare indică schemele şi aparatele folosite la măsurarea principalilor parametri ai dispozitivului. Aplicaţii principale Pentru dispozitivele noi, în cadrul foii de catalog, se indică o serie de aplicaţii, descriindu-se scheme de utilizare şi prezentându-se formulele de calcul necesare. În cadrul lucrărilor de laborator ce au ca scop studiul dispozitivelor electronice vor fi determinate experimental caracteristicile acestora. Se urmăreşte compararea valorilor obţinute cu datele de catalog. Se efectuează măsurători şi pentru precizarea unor parametri ce nu sunt indicaţi de producător. 30
LUCRAREA NR.3 Analiza funcţionării diodelor semiconductoare Trasarea caracteristicilor şi identificarea peformanţelor 2. Trasarea caracteristicilor statice la diode. Mărimi specifice Pentru orice tip de diodă caracteristica statică reprezintă dependenţa dintre curentul ce străbate joncţiunea şi tensiunea aplicată acesteia: I = f(v ) (1) Cunoaşterea funcţiei (1) permite determinarea domeniului de utilizare a dispozitivului. Se pot stabili:1- tensiunea de deschidere,v F0,; 2- tensiunea maximă inversă,v RM ; 3- curentul direct, I F ; 4- curentul invers,i R 5- puterea disipată, P ; 6- rezistenţa diferenţială a joncţiunii r d. Dacă se fac înregistrări la diferite temperaturi de funcţionare, se pot determina aceleaşi mărimi ca funcţii de temperatură, lucru extrem de important pentru circuitele reale (fig.1). 0 Fig.1 Caracteristica curent tensiune la dioda semiconductoare Caracteristica la polarizare directă (I şi II) este definită prin tensiunea de deschidere V F0 şi rezistenţa diferenţială r d. V F0 reprezintă tensiunea minimă la care dispozitivul conduce la polarizare directă şi depinde de tipul joncţiunii: 31
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE Tipul joncţiunii Germaniu Siliciu Schottky Tensiunea de deschidere (V) (domeniu de variaţie) 0.15-0.3 0.5-0.6 0.1-0.3 Tensiunea de deschidere (V) (tipică) 0.18 0.55 0.1 Rezistenţa diferenţială a diodei în regim lent variabil de semnal mic se defineşte conform relaţiei: di -1 rd = ( ) V = (2) F VFQ dv Uneori se utilizează mărimea numită conductanţă diferenţială : -1 gd = (rd ) (3) Punctul de coordonate (V Q, I Q ) se numeşte punct static de funcţionare al diodei; r d şi g d sunt funcţii de tensiunea aplicată depinzând de punctul de funcţionare ales. Caracteristica statică directă trasată experimental indică o rată de creştere a curentului mai mică decât prevede teoria. Acest lucru se datorează în special căderilor de tensiune pe rezistenţele ohmice ale regiunilor p şi n care sunt neglijate în cadrul teoriei Shockley. Caracteristica la polarizare inversă este definită printr-o valoare extrem de scăzută a curentului invers I R (<10 μa) într-un domeniu larg de tensiune (III) depinzând de tipul diodei. La atingerea unei valori critice a tensiunii aplicate (V RM sau V Z ) curentul prin diodă creşte brusc, datorită intrării în conducţie a joncţiunii prin efect Zener sau avalanşă (IV). La diodele redresoare sau de comutaţie obişnuite nu trebuie să se atingă valoarea V Z. Pentru aceste dispozitive se indică tensiunea V RM numită tensiune inversă repetitivă maximă. Pentru a avea o indicaţie asupra performanţelor la polarizare inversă se indică o valoare maximă a curentului invers I RM, la tensiunea V RM. În cazul polarizărilor inverse există mai multe cauze care fac ca valoarea curentului invers măsurat experimental, I R să fie mai mare ca cea prezisă de teorie, I s. În regiunea de trecere au loc fenomene de 32
LUCRAREA NR.3 Analiza funcţionării diodelor semiconductoare Trasarea caracteristicilor şi identificarea peformanţelor generare a purtătorilor atât pe cale termică, cât şi datorită câmpului electric, care pot produce străpungerea reversibilă sau ireversibilă a diodei. Curentul de saturaţie creşte şi datorită existenţei în joncţiune a unor impurităţi sau defecte în structura semiconductorului. 3.Metoda trasării punct cu punct a caracteristicii voltamperice. Pentru a aplica această metodă se folosesc montajele prezentate în fig.2. ma A S a + + anod VE D - - catod b S + - V catod D anod (a) (b) Fig.2 Montaje pentru trasarea caracteristicilor la diode semiconductoare la : (a) -polarizare directă, (b) -polarizare inversă Se vor analiza tipuri de diode cu siliciu şi cu germaniu. Pentru fiecare se determină punctele de pe caracteristica de polarizare directă folosind montajul din fig.2a unde pentru a se putea regla fin tensiunea în domeniul 0-1V se utilizează un divizor de tensiune 1:10 inclus în sursa de tensiune stabilizată S; Curentul este măsurat cu miliampermetrul ma. Se determină punctele de pe caracteristica de polarizare inversă utilizând pentru măsurarea curentului microampermetrul μa. Citirea tensiunilor se va face în ambele măsurători cu un voltmetru electronic numeric care să asigure o impedanţă ridicată de intrare şi o precizie mare pentru valorile preluate. Rezultatele se trec într-un tabel iar apoi se reprezintă grafic. 33
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE 4. Metoda vizualizării pe trasorul de caracteristici (Caracteriscop) Trasorul de caracteristici este un aparat electronic complex utilizat pentru înregistrarea pe ecranul unui tub catodic a familiilor de caracteristici atât la diode cât şi la tranzistoare. Tensiunile de polarizare ale dispozitivelor testate, precum şi curenţii, sunt aplicaţi un timp scurt, cu o frecvenţă de repetiţie coborâtă, fapt care permite determinarea unor parametri limită fără distrugerea dispozitivului. Se pot afla curenţii şi tensiunile maxime de funcţionare. Diodele se măsoară de obicei în regim de impulsuri cu durata de 80-150 s la un factor de umplere mai mic sau egal cu 1/100. Se evită astfel încălzirea joncţiunii. Caracteriscopul permite sortarea rapidă a dispozitivelor electronice. Cu ajutorul lui se poate stabili abaterea caracteristicilor electrice ale unei componente faţă de o alta considerată etalon. 5. Mod de lucru în laborator. În cadrul lucrărilor de laborator se trasează caracteristicile statice la următoarele tipuri de diode: 1N4001, 1N4148, EFD103. a) Se identifică componentele. Se iau din catalog valorile de lucru şi valorile limită ale curentului şi tensiunii pentru fiecare componentă. Se identifică terminalele.diodele se montează prin intermediul unor conectori miniatură pe o planşetă de lucru prevăzută cu borne la care pot fi conectate ferm sursa şi aparatele de măsură necesare în circuit. b) Se realizează montajul din figura 2 a. Divizorul rezistiv R 1,R 2 este inclus în sursa de alimentare şi se activează printr-un comutator basculant de pe panoul sursei. c) Se modifică tensiunea debitată de sursa S şi se măsoară tensiunea pe diodă şi curentul prin diodă valorile obţinute notându-se într-un tabel de valori. Se determină tensiunea de deschidere V F0. Tensiunea şi curentul nu trebuie să depăşească valorile maxime indicate în catalog pentru dispozitivul testat. Va fi supravegheat cu atenţie regimul termic al dispozitivului. 34
LUCRAREA NR.3 Analiza funcţionării diodelor semiconductoare Trasarea caracteristicilor şi identificarea peformanţelor Atenţie! La începerea determinărilor se va roti spre stânga butonul potenţiometrului de reglaj al tensiunii sursei pentru a se obţine iniţial tensiunea minimă. d) Se determină rezistenţa diferenţială a diodei într-un punct dat al caracteristicii statice directe (I Q, V FQ ) cu ajutorul raportului: Δ VF rd = ( ) ΔI VF = VFQ Se calculează din valorile experimentale rezistenţa diferenţială a diodei înainte de deschidere şi după deschidere şi se compară valorile obţinute. e) Se realizează montajul din fig. 2b, destinat trasării caracteristicii inverse. Se modifică tensiunea debitată de sursa S, măsurându-se tensiunea şi curentul prin diodă.valorile obţinute se notează în tabelul de date. g) Se reprezintă grafic caracteristicile celor două diode folosind hîrtie milimetrică sau un program adecvat pe calculator (ex. ORIGIN) Cu ajutorul caracteriscopului se trasează automat caracteristicile diodelor studiate. Se compară aceste caracteristici cu cele obţinute prin trasarea punct cu punct. Pentru a face o analiză atentă şi corectă a diodelor trebuie în prealabil să se delimiteze domeniul parametrilor de lucru analizând fişele de catalog ale dispozitivelor. FIŞA TEHNICĂ Caracteristici la diodele din seria 1N4000 m m Catodmarcat (4) 1N401 6,4m masa=0,4g 35
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE Caracteristici electrice principale:u R = 50...1000V, I 0 = 1A (T amb = 75 0 C) Valori limită absolute (T amb =25 0 C) 1N4001 1N4003 1N4005 1N4007 U.M. V R (T amb =25 0 C) 50 200 600 1000 V V RM (T amb =25 0 C) 50 200 600 1000 V I 0 (T amb= 75 0 C) 1 1 1 1 A I F (T amb= 75 0 C) 1,15 1,15 1,15 1,15 A I FRM ( T amb= 75 0 C) 10 10 10 10 A I FSM (10ms) 30 30 30 30 A P D 1 W T stg - 65 + 150 0 C T amb - 55 +150 0 C T j +150 0 C R thj-amb 60 0 C/ W Caracteristici electrice Condiţii de măsură Max. U.M. V F I F =1A (T amb =25 0 C) 1,1 V I R U R = U RM (T amb = 25 0 C) 5 μa I RM U R = U RM, (T amb =100 0 C) 50 μa Fig.3 Caracteristica directă : a-caracteristica tipică, b-caracteristica maximă 36
LUCRAREA NR.3 Analiza funcţionării diodelor semiconductoare Trasarea caracteristicilor şi identificarea peformanţelor Fig.4 Puterea disipată în conducţie directă P F, în funcţie de curentul direct mediu I FAV Fig.5 Curentul direct de vârf de suprasarcină accidentală I FSM în funcţie de durata impulsului de suprasarcină,t p 37
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE FIŞA TEHNICĂ Caracteristici ale diodei 1N4148 Diodă de comutaţie ultrarapidă cu siliciu în structură planarepitaxială utilizată în comutare şi detecţie CAPSULA DO-35 m m Catodmarcat 1N4148 3,9m masa=0,14g DO-35 Caracteristici electrice principale :U F (10 ma) = 1V, U R =75 V, t off = 4 ns) Valori limită absolute (la T amb = 25 0 C)- Valoarea U.M. V R 75 V V RM 100 V I 0 75 ma I FRM 225 ma I FSM 500 ma P tot 250 mw T stg -65 +200 0 C T j 200 0 C Caracteristici electrice (T amb = 25 0 C) Condiţii de măsură Max. U.M. V F I F = 10mA 1 V I R V R = 20V V R = 75V 25 5 na μa V BR I R = 100μA 100 V C tot capacitatea totală V = 0 4 pf V FM tensiune directă tranzitorie I F = 50 ma, t p = 0,1 μs 2,5 V t off timpul de comutare inversă I F = 10 ma, R L = 100Ω 4 ns η randamentul de detecţie în R L = 5KΩ, C L = 20pF 45 % tens. V I = 2V eff, f = 100 MHz 38
LUCRAREA NR.3 Analiza funcţionării diodelor semiconductoare Trasarea caracteristicilor şi identificarea peformanţelor Diodele de comutaţie se folosesc în circuitele cu funcţionare în regim de impuls. Trecerea rapidă a diodei de la regimul de polarizare directă la cel de polarizare inversă poate avea loc datorită reducerii timpului de viaţă a purtătorilor mobili de sarcină din semiconductor prin procese tehnologice de impurificare şi iradiere a semiconductorului. Fig.6 Curentul invers I R în funcţie de tensiunea inversă V R FIŞA TEHNICĂ Caracteristicile diodei tip EFD 104 Diodă cu germaniu cu contact punctiform în capsulă de sticlă destinată utilizării în circuitele de detecţie pentru semnale video. Capsula DO-7 39
FLORIN MIHAI TUFESCU m m Catodmarcat inelecolorate 7,1m masa=0,2g Caracteristici electrice principale : V R = 25V ; I 0 = 30mA ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE Valori limită absolute (T amb=25 0 C) Notaţia Valoarea U.M. Tensiunea inversă continuă V R 25 V Tensiunea inversă de vârf V RM 30 V Curentul direct continuu I F 40 ma Curentul direct de vârf I FM 90 ma Curentul de suprasarcină accidentală (1s) I FSM 500 ma Curentul mediu redresat I 0 40 ma Temperatura de stocare T stg -55 +85 0 C Caracteristici electrice Condiţii de măsurare Valoarea U.M. Tensiunea directă V F I F = 6 ma 1 V Curentul invers I R V R =10V, T amb = 70 0 C V R =24V, T amb = 70 0 C V R =27V, T amb = 70 0 C V R = 30V, T amb = 70 0 C 30 50 200 240 μa μa μa μa Randament de detecţie η η = V 0/V i x 100 34 % D V i 33K 330p F V0 Fig.7 Montaj de măsură în radiofrecvenţă (V i =7V ef,f=44mhz, V 0 = min 2,4V) 40
LUCRAREA NR.3 Analiza funcţionării diodelor semiconductoare Trasarea caracteristicilor şi identificarea peformanţelor Fig.8 Caracteristica curent-tensiune la dioda EFD104 6. Diode stabilizatoare de tensiune (diode Zener) Diodele stabilizatoare de tensiune sunt diode cu joncţiuni pn de construcţie specială care funcţionează la polarizare inversă, în regiunea de străpungere cînd tensiunea la bornele lor este practic constantă la variaţii mari ale curentului. Străpungerea controlată a joncţiunii apare prin efect Zener sau multiplicare în avalanşă a purtătorilor de sarcină. Diodele Zener actuale sunt cu siliciu şi au tensiuni de lucru cuprinse între 3V şi 200V. Caracteristica statică la polarizare directă şi la polarizare inversă până în apropierea zonei de străpungere este identică cu a unei diode redresoare obişnuite. Străpungerea electrică apare la tensiunea specificată pe diodă şi conduce la apariţia unor curenţi importanţi (10-2 - 10-1 A). care trebuie limitaţi astfel încât să nu aibă loc distrugerea termică a joncţiunii.în fig.9 este prezentată o caracteristică tipică de diodă Zener. 41
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE Fig.9 Caracteristica tipică a unei diode Zener Mărimi specifice diodelor Zener Tensiunea de stabilizare V Z,este specificată la un anumit curent ce depinde de tipul diodei. Puterea disipată de diodă este egală cu produsul V Z I Z. Diodele cu tensiuni de lucru mici vor admite curenţi mari iar diodele cu tensiune stabilizată ridicată vor permite trecerea unor curenţi reduşi. Exemplu dioda PL 6V2Z are V Z = 5,8-6,6V şi I ZM = 100 ma, în timp ce dioda PL 180Z are V Z = 168 191V şi I ZM = 5 ma,ambele făcând parte din aceeaşi serie de diode stabilizatoare cu puterea de 1W în capsula F-126. Faţă de valoarea marcată pe diodă există dispersia specificată în fişele de catalog pentru tensiunea de străpungere (ca în exemplele de mai sus), la temperatura de 25 0 C. Pentru calculul valorii 42
LUCRAREA NR.3 Analiza funcţionării diodelor semiconductoare Trasarea caracteristicilor şi identificarea peformanţelor tensiunii stabilizate în cazul încălzirii diodei la temperatura T se utilizează coeficientul de temperatură al diodei, α VZ V Z (T) = V Z (T 0 ) [1 + α VZ (T T 0 )] (5) α VZ are valori negative de ordinul (2..6) 10-4 / 0 C pentru diodele cu tensiuni mai mici de (5,5 6) V şi valori pozitive de ordinul (1 10) 10-4 / 0 C pentru tensiuni mai mari de 6V. Schimbarea semnului se datorează trecerii de la străpungerea prin efect Zener la străpungerea prin multiplicare în avalanşă. Rezistenţa diferenţială R d, are două componente: rezistenţa diferenţială a joncţiunii pentru cazul izoterm R d j, şi rezistenţa diferenţială de natură termică R dth : R d R dj R dth du di Z Z U I Z Z T U Z T I dt di Z (6) În cazul variaţiilor rapide de curent componenta R dth,poate fi neglijată. În foile de catalog se indică de obicei mărimea R d măsurată la o frecvenţă de 1KHz. Curentul maxim de stabilizare I ZM. Valoarea acestui curent este dictată de înscrierea funcţionării diodei într-un regim de echilibru la care T j T jmax. Aşa cum s-a specificat anterior cu cât tensiunea stabilizată este mai mare cu atât curentul maxim admis este mai redus. În regim de impulsuri de scurtă durată curentul I ZM, poate fi depăşit cu condiţia ca puterea medie disipată în diodă să menţină condiţia T j T jmax (dioda zener este folosită în acest mod în circuite de protecţie la apariţia unor vârfuri de tensiune). 43
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE Zgomotul diodelor stabilizatoare Diodele Zener sunt dispozitive zgomotoase deoarece au ca mecanism de funcţionare multiplicarea în avalanşă a purtătorilor. La creşterea curentului I Z, tensiunea echivalentă de zgomot prezintă maxime şi minime, străpungerea apărând în mai multe puncte ale joncţiunii. Pentru reducerea zgomotului propriu diodei se evită funcţionarea în regiunea de cot a caracteristicii şi se recomandă şuntarea acesteia cu un condensator de calitate având o capacitate de 10 100 nf. În cadrul lucrării practice se studiază câteva exemplare de diode Zener tip PL 9V1Z. Se utilizează montajul pentru trasarea caracteristicilor la diode în regim de polarizare inversă (fig.11) R ma E + - V cato d DZ an od Fig.10 Montaj pentru trasarea caracteristicii la dioda Zener (se înseriază cu dioda măsurată un rezistor de 68Ω/2W cu scop de protecţie prin limitarea curentului). FIŞA TEHNICĂ Caracteristici la dioda PL9V1Z - Diodă stabilizatoare de tensiune cu siliciu difuzat, aliată şi m m Catodmarcat PL9V1Z 6,4m F-126 masa=0,4g 44
LUCRAREA NR.3 Analiza funcţionării diodelor semiconductoare Trasarea caracteristicilor şi identificarea peformanţelor dublu difuzată pentru uz profesional în CAPSULA F-126. Răcire prin convecţie. Caracteristici electrice (T amb= 25 0 C) Min. Tip. Max U.M. V Z Tensiunea stabilizată 8,5-9,1 9,6 V I Z Curentul nominal 50 ma R d Rezistenţa diferenţială 4 Ω α VZ Coeficientul de temperatură 5,1 10-4 0 C -1 I R Curentul invers (U R = 3,5V) 1 μa I ZM Curentul maxim de stabilizare 100 ma T j Temperatura maximă a joncţiunii 150 0 C T amb Temperatura ambiantă defuncţionare -50 +150 0 C T stg Temperatura de stocare -50 +150 0 C Fig.12 Rezistenţa diferenţială a diodelor zener din seria PL 45
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE în funcţie de tensiunea stabilizată şi de curentul prin diodă Etape de lucru în cadrul studiului experimental al diodei zener 1. Se vor trasa caracteristicile la polarizare inversă pentru trei exemplare de diode zener de acelaşi tip PL9V1Z, până la curenţi de cca.90 ma. 2. Se va determina tensiunea de stabilizare nominală a diodei ca fiind tensiunea măsurată la curentul de 50 ma prin diodă. Se vor compara valorile obţinute evidenţiindu-se mărimea dispersiei pentru tensiunea stabilizată de fiecare din cele trei exemplare. 3. Se vor reprezenta caracteristicile obtinute. 4. Se vor calcula şi compara rezistenţele diferenţiale ale diodelor la diferiţi curenţi (1 ma, 10 ma, 20 ma, 50 ma, 80 ma) reprezentânduse grafic dependenţa rezistenţei diferenţiale în funcţie de curentul care străbate dioda. 5. Se va aduce una din diode intr-un regim de curent invers de cca.100 ma (care constituie curentul maxim admis de dispozitiv) şi se va observa calitativ modul în care se modifică tensiunea stabilizată la creşterea temperaturii datorită disipaţiei termice în dispozitiv. 6. Pentru una din diode, se va trasa caracteristica la polarizare directă şi se va compara cu caracteristica la polarizare directă a diodei 1N4001. 7. Se va calcula de pe una din caraceristicile la polarizare inversă variaţia puterii disipate pe diodă în funcţie de curentul care o strabate şi se va reprezenta grafic această dependenţă. Notă : Pentru măsurarea tensiunii pe diodele zener se va folosi un voltmetru numeric de calitate capabil să evidenţieze micile variaţii de tensiune care apar la modificarea curentului prin dispozitiv. 46